《傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》習(xí)題解答

1、傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)習(xí)題解答第1章 傳感器的基本知識(shí)1. 簡(jiǎn)述傳感器的概念、作用及組成。答：傳感器的定義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。作用：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量。組成：敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源。2. 傳感器的分類(lèi)有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：傳感器常用的分類(lèi)方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分，另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分。按被測(cè)輸入量來(lái)分：這種分類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。其缺點(diǎn)是沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分

2、析方法。按傳感器的工作原理來(lái)分：這種分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類(lèi)別少，有利于傳感器專(zhuān)業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。3. 傳感器是如何命名的？其代號(hào)包括哪幾部分？在各種文件中如何應(yīng)用？答：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及4級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成。（1） 主題詞傳感器。（2）第1級(jí)修飾語(yǔ)被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。（3）第2級(jí)修飾語(yǔ)轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第3級(jí)修飾語(yǔ)特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第4級(jí)修飾語(yǔ)主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。本

3、命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書(shū)索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。例1： 傳感器，絕對(duì)壓力，應(yīng)變式，放大型，13500kPa；例2： 傳感器，加速度，壓電式，±20g。在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書(shū)、學(xué)術(shù)論文、教材及書(shū)刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述相反的順序。例3： 13500kPa放大型應(yīng)變式絕對(duì)壓力傳感器；例4： ±20g壓電式加速度傳感器。在側(cè)重傳感器科學(xué)研究的文獻(xiàn)、報(bào)告及有關(guān)教材中，為方便對(duì)傳感器進(jìn)行原理及其分類(lèi)的研究，允許只采用第2級(jí)修飾語(yǔ)，省略其他各級(jí)修飾語(yǔ)。傳感器代號(hào)的標(biāo)記方法：一般規(guī)定用大寫(xiě)漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。傳感器完整代

4、號(hào)應(yīng)包括以下4個(gè)部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測(cè)量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號(hào)。4部分代號(hào)格式為：在被測(cè)量、轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)3部分代號(hào)之間有連字符“-”連接。例5：應(yīng)變式位移傳感器，代號(hào)為：CWY-YB-10；例6：光纖壓力傳感器，代號(hào)為：CY-GQ-1；例7：溫度傳感器，代號(hào)為：CW-01A；例8：電容式加速度傳感器，代號(hào)為：CA-DR-2。有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。4. 傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些？其含義是什么？答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移及量程范圍等幾種性能指標(biāo)來(lái)描述。含義：線性度是傳感器輸出量與輸

5、入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。通常用相對(duì)誤差表示其大??；靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率，對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，它是特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜率。重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。遲滯是傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出輸入特性曲線不一致的程度。傳感器的分辯力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏

6、限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開(kāi)始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表征其輸出的穩(wěn)定度。傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間而緩慢變化的情況；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。傳感器所能測(cè)量的最大被測(cè)量（輸入量）的數(shù)值稱為測(cè)量上限，

7、最小被測(cè)量稱為測(cè)量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測(cè)量范圍。測(cè)量范圍可能是單向的（只有正向與負(fù)向）、也可能是雙向的、或雙向不對(duì)稱的和無(wú)零值的等。測(cè)量上限與下限的代數(shù)和稱為量程。5. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從哪兩方面來(lái)描述？采用什么樣的激勵(lì)信號(hào)？其含義是什么？答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從時(shí)域和頻域兩方面來(lái)描述，采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。通常采用階躍信號(hào)和正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應(yīng)法（時(shí)域）；以正弦信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法稱為頻率響應(yīng)法（頻域）。第2章 力、壓力傳感器1. 力傳感器的組成是什么？答：力傳感器主要由力敏感

8、元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成。2. 彈性敏感元件的作用是什么？其分類(lèi)有幾種？各有何特點(diǎn)？答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移。分類(lèi)：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。其特點(diǎn)：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據(jù)截面形狀可分為實(shí)心圓柱及空心圓柱等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大的載荷，便于加工，實(shí)心圓柱形可測(cè)量大于10kN的力，空心圓柱形可測(cè)量110kN的力，應(yīng)力變化均勻。（2） 圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測(cè)量較小的力。但它的工藝性較差，加工時(shí)不易得到較高的精度。（3）懸臂梁式彈性

9、敏感元件。它的一端固定，一端自由，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，應(yīng)變和位移較大，適用于測(cè)量15kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應(yīng)變片。變截面懸臂梁（也稱等強(qiáng)度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個(gè)長(zhǎng)度方向上各處的應(yīng)變相等，便于粘貼應(yīng)變片。（4）扭轉(zhuǎn)軸彈性敏感元件主要用來(lái)制作扭矩傳感器，它利用扭轉(zhuǎn)軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把角位移變換為電信號(hào)輸出。3. 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是什么？它是如何測(cè)量試件的應(yīng)變的？答：電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”的原理來(lái)工作的。即金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑

10、牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定的測(cè)量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。圖2-7 電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖4. 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有哪些？各有何特點(diǎn)？答：電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為，要精確的測(cè)量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測(cè)量電路。根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相

11、似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化時(shí)，電橋平衡，輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。 根據(jù)電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動(dòng)雙臂電橋（半橋）、差動(dòng)全橋三種類(lèi)型。雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)償由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。5. 電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？補(bǔ)償方法有哪些？答：電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來(lái)度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實(shí)際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在a=(2.55.0)&#

12、215;/)， 但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大測(cè)量誤差。應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償。6. 應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？答：應(yīng)變片的粘貼工藝如下：（1）試件表面的處理 粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的35倍。（2）確定貼片位置 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在試件上劃線，以確定貼片的位置。（3）粘貼 在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼

13、在畫(huà)線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。（4）固化 粘貼好的應(yīng)變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時(shí)間等進(jìn)行固化處理。（5）穩(wěn)定處理 粘接劑在固化過(guò)程中會(huì)膨脹和收縮，致使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為使應(yīng)變片的工作性能良好，還應(yīng)進(jìn)行一次穩(wěn)定處理，稱為后固化處理，即將應(yīng)變片加溫至比最高工作溫度高1020，但不用加壓。（6）檢查 經(jīng)固化和穩(wěn)定處理后，測(cè)量應(yīng)變片的阻值，以檢查貼片過(guò)程中敏感柵和引線是否損壞。另外還應(yīng)測(cè)量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對(duì)于高精度測(cè)量，則需在2000兆歐以上。7）引線的焊接與防護(hù) 應(yīng)變片引線最好采用中間連接片應(yīng)出

14、，引線要適當(dāng)固定，為了保證應(yīng)變片工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，應(yīng)采取防潮、防水等措施，如在應(yīng)變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅、清漆等保護(hù)層，或在試件上焊上金屬箔，將應(yīng)變片全部覆蓋。7. 圖2-88為一直流應(yīng)變電橋。，試求：（1） 為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)變化量為時(shí)，電橋輸出電壓圖 2-88 直流應(yīng)變電橋（2）都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，電橋的輸出電壓（4） 由題（1）（3）能得出什么結(jié)論與推論？答：（1）當(dāng)為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻時(shí)，電橋?yàn)閱伪酃ぷ麟姌?，?dāng)變化量為時(shí)，電

15、橋輸出電壓： （2）當(dāng)都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時(shí)，根據(jù)電橋的輸出總公式 可知，此時(shí)，。電橋的輸出：（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，也就是，此時(shí)電橋?yàn)椴顒?dòng)雙臂電橋（半橋），電橋輸出電壓：此時(shí)電橋。（4） 由題（1）（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個(gè)橋臂為應(yīng)變片工作橋臂時(shí)，感受的應(yīng)變必須是一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，電橋才有輸出。8. 壓電式傳感器的工作原理是什么？壓電材料有哪些？答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，即某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消

16、失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。用于傳感器的壓電材料或元件可分三類(lèi)：一類(lèi)是單晶壓電晶體；另一類(lèi)是極化的多晶壓電陶瓷；第三類(lèi)是高分子壓電材料。9. 試用石英晶體為例說(shuō)明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。答：石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖2-24是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖2-25(a)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離子擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅離子也

17、擠入兩個(gè)氧離子之間，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B(niǎo)面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉力時(shí)，如圖2-25(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，如圖2-25（c）所示，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加拉力時(shí)，如圖2-25（d）所示，晶格在y向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。 10. 壓電陶瓷有何特點(diǎn)？答：壓電

18、陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無(wú)數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。因此，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化理。即在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會(huì)出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。

19、11. 壓電傳感器的測(cè)量電路是什么？各有何特點(diǎn)？為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力？答：根據(jù)壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：電電壓放大器壓放大器和電荷放大器。特點(diǎn)：由電壓放大器的輸出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有關(guān)系，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定為常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度，則必須重新校正電壓靈敏度值。電荷放大器輸出電壓， 可以看出電荷放大器輸出電壓與電纜

20、電容無(wú)關(guān)。因此電纜可以很長(zhǎng)，可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無(wú)明顯損失。這是電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。因此在測(cè)量時(shí)，不必考慮傳感器與放大器配套的問(wèn)題，放大器與傳感器可以任意互換。為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力？由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄露的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻不可能為無(wú)窮大，因此電荷就會(huì)通過(guò)放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。12.

21、如圖2-32b所示電荷放大器等效電路。壓電元件為壓電陶瓷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)，反饋電容，若輸出電壓，求壓電傳感器所受力的大?。?-32 電荷放大器等效電路答：根據(jù)電荷放大器的輸出可知, 壓電陶瓷上產(chǎn)生的電荷根據(jù)，壓電傳感器所受的力13. 石英晶體的縱向壓電系數(shù)，晶體的長(zhǎng)度是的寬2倍，是厚的3倍，求：（1） 當(dāng)沿電軸方向施加的力時(shí)，用反饋電容為的電荷放大器測(cè)量的輸出電壓是多少？（2） 當(dāng)沿機(jī)械軸施加力時(shí)，用同樣的電荷放大器測(cè)出的輸出電壓為3V，為多少？解答： （1）電荷放大器的輸出 (2) 根據(jù)題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出當(dāng)沿機(jī)械軸施加力時(shí)，產(chǎn)生的由根據(jù)式得，即 求出14. 用壓電式傳感

22、器測(cè)量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系數(shù)，放大器為理想運(yùn)放，反饋電容，實(shí)際測(cè)得放大器輸出電壓為，試求此時(shí)的作用力解答：根據(jù)題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯(lián)，所以總電荷是單個(gè)壓電元件電荷的兩倍，即,根據(jù)電荷放大器的輸出，得，,得壓電傳感器受到的作用力15. 電容式傳感器的工作原理是什么？可分成幾種類(lèi)型？各有個(gè)特點(diǎn)？答：根據(jù)平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電容器的電容量為 由上式可知，電容C是A、的函數(shù)，即。當(dāng)A、改變時(shí)，電容量C也隨之改變。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)量的變化改變其中的一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這就是電容傳感

23、器的基本工作原理。分類(lèi)：電容式傳感器根據(jù)工作原理不同，可分為變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式三種；按極板形狀不同有平板形和圓柱形兩種。特點(diǎn)：變間隙式電容傳感器：只能測(cè)量微小位移（微米級(jí)）；變面積式電容傳感器：可以測(cè)量較大位移的變化，常為厘米級(jí)位移量。變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎脕?lái)測(cè)量物位或液位，也可測(cè)量位移，可以測(cè)量較大位移的變化。16. 試說(shuō)明差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu)是如何提高測(cè)量靈敏度，減小非線性誤差的？答：以變間隙式電容傳感器為例來(lái)分析。當(dāng)變化時(shí)，電容量的相對(duì)變化約為 （2-35） 為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖2-44所示，兩個(gè)定極板對(duì)稱安裝，中間

24、極板為動(dòng)極板。當(dāng)中間極板不受外力作用時(shí)，由于，所以。當(dāng)中間極板向上移動(dòng)x時(shí)， 增加，減小，總電容的變化量為圖2-44 差動(dòng)式電容器結(jié)構(gòu) （2-37）式（2-37）與式（2-35）相比，輸出靈敏度提高了一倍。17. 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路主要有哪些？答：常見(jiàn)的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、充放電脈沖電路、運(yùn)算放大器電路等。圖2-45 變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)原理18. 有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖2-45a所示，其中，兩極板間距為。當(dāng)動(dòng)極板在原始位置上平移了后，求傳感器電容量的變化及電容相對(duì)變化量。（空氣的相對(duì)介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)）答：根據(jù)變面積型平板式

25、電容傳感器的電容表達(dá)式：可得當(dāng)動(dòng)極板在原始位置上平移了，也就是公式中后，電容的相對(duì)變化量為傳感器電容量的變化19. 電感傳感器的基本原理是什么？可分成幾種類(lèi)型？答：電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。 電感傳感器的分類(lèi)：根據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類(lèi)。20. 電感傳感器的常用的測(cè)量電路有哪些？答：自感式傳感器常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式測(cè)量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測(cè)量電路和調(diào)幅電路。 差動(dòng)變

26、壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯(lián)的兩個(gè)二次繞組上測(cè)量，此時(shí)空載輸出電壓為，也可采用電橋電路來(lái)測(cè)量。21. 電渦流傳感器的工作原理是什么？形成電渦流的兩個(gè)必備條件是什么？ 答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應(yīng)。即塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，類(lèi)似于水中的漩渦，所以稱為電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場(chǎng)的能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。要形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：（1）存在交變磁場(chǎng)；（2）導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中。22. 壓阻式壓

27、力傳感器的工作原理是什么？主要應(yīng)用是什么？答：壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻效應(yīng)就是指半導(dǎo)體材料的受外力或應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。主要應(yīng)用是：用于壓力、加速度、重量、應(yīng)變、拉力、流量等參數(shù)的測(cè)量。第3章 溫度傳感器1. 溫度的測(cè)量方法有幾種？各有何特點(diǎn)？答：按照感溫元件是否與被測(cè)溫對(duì)象相接處，溫度測(cè)量可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫兩種。接觸式測(cè)溫：感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，彼此進(jìn)行熱量交換，使感溫元件與被測(cè)對(duì)象處于同一環(huán)境溫度下，感溫元件感受到的冷熱變化即是被測(cè)對(duì)象的溫度。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量精度高、價(jià)格便宜、可測(cè)得被測(cè)對(duì)象的真實(shí)溫度及

28、物體內(nèi)部某一點(diǎn)的溫度；缺點(diǎn)是：有較大的滯后現(xiàn)象（由于與被測(cè)物熱交換需要一定的時(shí)間），不適于測(cè)量小的物體、腐蝕性強(qiáng)的物體及運(yùn)動(dòng)物體的溫度，并且由于感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，從而影響被測(cè)環(huán)境溫度的變化，測(cè)溫范圍也受到感溫元件材料特性的限制等。非接觸式測(cè)溫：利用物體表面的熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度的。通過(guò)測(cè)量一定距離處被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來(lái)確定被測(cè)物的溫度。這類(lèi)溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：可以測(cè)量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。測(cè)溫速度快，不存在滯后現(xiàn)象，測(cè)溫范圍不受限制，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、導(dǎo)熱性差、微小目標(biāo)、熱容量小的物體、固體、液體表面的溫度，不影響被測(cè)物環(huán)境溫度。缺點(diǎn)是:易受被測(cè)物體與儀表間距離

29、、煙塵、水氣及被測(cè)物熱輻射率的影響，測(cè)量精度較低等。2. 膨脹式溫度計(jì)有幾種？其工作原理是什么？各有何特點(diǎn)？答：膨脹式溫度計(jì)可分為液體膨脹式溫度計(jì)、固體膨脹式溫度計(jì)、氣體膨脹式溫度計(jì)3種類(lèi)型。液體膨脹式溫度計(jì)：利用玻璃感溫泡內(nèi)的液體受熱體積膨脹與玻璃體積膨脹之差來(lái)測(cè)量溫度的。一般用于低溫和中溫溫度測(cè)量。特點(diǎn)：不僅比較簡(jiǎn)單直觀，而且還可以避免外部遠(yuǎn)傳溫度計(jì)的誤差。但易破碎，刻度微細(xì)不便讀取，不適于有振動(dòng)和容易受到?jīng)_擊的場(chǎng)合。固體膨脹式溫度計(jì)：利用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬材料牢固地粘貼在一起制成的。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于兩種金屬線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生彎曲，彎曲的程度與溫度的高低成比例的原理工作的。特點(diǎn)：現(xiàn)

30、場(chǎng)顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，使用壽命長(zhǎng)，但精度不高。氣體膨脹式溫度計(jì)：是基于密封在容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨溫度變化而變化的原理測(cè)溫的。特點(diǎn)：主要用于遠(yuǎn)距離設(shè)備的氣體、液體、蒸汽的溫度測(cè)量，也能用于溫度控制和有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。3. 電阻式溫度傳感器的工作原理是什么？有幾種類(lèi)型？答：電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量溫度的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。類(lèi)型：按制造材料來(lái)分，一般把由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測(cè)溫元件稱為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱熱電阻傳感器；把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱為

31、熱敏電阻。4. 金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種？各有何特點(diǎn)？熱電阻傳感器的測(cè)量電路有哪些？說(shuō)明每種測(cè)量電路的特點(diǎn)。答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉑和銅。特點(diǎn)：鉑金屬熱電阻：鉑易于提純、復(fù)制性好，在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，主要用于高精度溫度測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置，測(cè)溫范圍為-200850。銅金屬熱電阻：銅易于提純，價(jià)格低廉，電阻-溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細(xì)而且長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于100以上或腐蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無(wú)腐蝕性的介質(zhì)中。熱電阻傳感器的測(cè)量電路常用電橋電路

32、。外界引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測(cè)量電路或四線制恒流源測(cè)量電路。特點(diǎn)：三線制電橋連接法測(cè)量電路，導(dǎo)線電阻r對(duì)測(cè)量毫無(wú)影響。四線制恒流源測(cè)量電路，四根導(dǎo)線的電阻r對(duì)測(cè)量都沒(méi)影響。但要因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體存在發(fā)熱現(xiàn)象，所以供電電流不宜過(guò)大，一般在0.6mA以下。精確測(cè)量時(shí)，通電電流為0.25mA。5. 熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么？熱電勢(shì)的組成有幾種？說(shuō)明熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程，并寫(xiě)出熱電偶回路中總熱電勢(shì)的表達(dá)式。答：熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應(yīng)。即兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉和回路，若兩接點(diǎn)的溫度不同，則在該回路中將會(huì)產(chǎn)

33、生電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)接點(diǎn)的溫差越大，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也越大。組成回路的導(dǎo)體材料不同，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也不一樣，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)的組成：由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程：（1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子濃度不同而在接觸面形成的電勢(shì)。假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子濃度分別為 NA和 NB，且NA NB。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。在同一瞬間，由A擴(kuò)散到B中去的電子比由B擴(kuò)散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電；金屬B得到電子帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。此電場(chǎng)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成了穩(wěn)定的

34、電位差，即接觸電勢(shì)E，如圖3-22所示。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)也越大。接觸電勢(shì)的方向由兩導(dǎo)體材料決定。（2） 單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為t、t0，如圖3-23所示，則導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散；高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，即在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。圖3-24 熱電偶回路總熱電勢(shì)NA NB圖3-22 兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)圖3-23 單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)由圖3-24可知，熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為 （3-5）式中, 為熱電偶

35、電路的總熱電勢(shì)；為熱端接觸電勢(shì)；為B導(dǎo)體的溫差電勢(shì)；為冷端接觸電勢(shì)；為A導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。 在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為 （3-6）6. 熱電偶的基本定律有哪些？其含義是什么？每種定律的意義何在？并證明每種定律。答：熱電偶的基本定律有: 中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律、參考電極定律。含義：中間導(dǎo)體定律-在熱電偶電路中接入第三種導(dǎo)體，只要保持該導(dǎo)體兩接入點(diǎn)的溫度相等，回路中總的熱電勢(shì)不變，即第三種導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。中間導(dǎo)體定律的意義：根據(jù)這個(gè)定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，可以將熱電勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量,且不影響測(cè)量精

36、度?？刹捎瞄_(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。中間溫度定律含義：在熱電偶測(cè)量電路中，測(cè)量端溫度為t，自由端為t0，中間溫度為t，則E（t、t0）的熱電勢(shì)等于E（t、t）與E（t、t0）熱電勢(shì)代數(shù)和。即中間溫度定律的意義：利用該定律，可對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外，可以選用廉價(jià)的熱電偶A、B代替t到t0段的熱電偶A、B，只要在 t、t0溫度范圍內(nèi)A、B與A、B熱電偶具有相近的熱電勢(shì)特性，便可將熱電偶冷端延長(zhǎng)到溫度恒定的地方再進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量距離加長(zhǎng)，還可以降低測(cè)量成本，而且不受原熱電偶自由端溫度t的影響。這就是在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)冷端溫度進(jìn)

37、行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)測(cè)溫距離，消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。參考電極定律含義：已知熱電極A,B與參考電極C組成的熱電偶在接點(diǎn)溫度為（t，t0）時(shí)的熱電勢(shì)分別為 、 ，則相同溫度下，由A，B兩種熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì) 可按下式計(jì)算為： 參考電極定律的意義：參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)電極與參考電極配對(duì)的熱電勢(shì)，那么任何兩種電極配對(duì)后的熱電勢(shì)均可利用該定理計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。7. 熱電偶的性質(zhì)有哪些？答：（1）當(dāng)兩熱電極材料相同時(shí)，不論接點(diǎn)溫度相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。（

38、2）當(dāng)熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同時(shí)，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。（3）只有當(dāng)電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，熱電偶回路才有熱電勢(shì)。當(dāng)電極材料選定后，兩接點(diǎn)的溫差越大，熱電勢(shì)也就越大。（4）回路中熱電勢(shì)的方向取決于熱端的接觸電勢(shì)方向或回路電流流過(guò)冷端的方向。8. 為什么要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？常用的補(bǔ)償方法有幾種？補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是什么？連接補(bǔ)償導(dǎo)線要注意什么？答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0時(shí)測(cè)得的，如果冷端溫度不為零，測(cè)得的熱電勢(shì)就不能直接去查相應(yīng)的分度表。另外，根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶回路的熱電勢(shì)只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才與測(cè)量端溫度成單

39、值對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，不能保持恒定，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除測(cè)量誤差，要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常采補(bǔ)償方法： 0冷端恒溫法、冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法（延引電極法）、電橋補(bǔ)償法。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：補(bǔ)償導(dǎo)線僅起延長(zhǎng)熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起任何溫度補(bǔ)償作用。但由于補(bǔ)償導(dǎo)線比熱電偶便宜，節(jié)約了測(cè)量經(jīng)費(fèi)。連接補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意兩個(gè)問(wèn)題：兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連的接點(diǎn)溫度必須相同；不同的熱電偶要與其型號(hào)相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線配套使用，且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，極性不能接反。9. 熱電偶測(cè)溫線路有幾種？試畫(huà)出每種測(cè)溫電路原理圖，并寫(xiě)出熱

40、電勢(shì)表達(dá)式。答：測(cè)溫某一點(diǎn)溫度、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差電路、測(cè)量多點(diǎn)溫度之和電路、測(cè)量幾點(diǎn)的平均溫度、多點(diǎn)溫度測(cè)量線路。圖3-37 熱電偶測(cè)量某一點(diǎn)溫度圖3-38 熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差測(cè)溫電路原理圖：圖3-41 一臺(tái)儀表分別測(cè)量多點(diǎn)溫度圖3-39 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和圖3-40 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)平均溫度圖3-53 熱電偶測(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度10. 如圖3-53所示，用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度，A、B為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線。已知， ，。（1）當(dāng)儀表指示為39.314mV時(shí)，計(jì)算被測(cè)點(diǎn)溫度t = ?（2）如果將A、B換成銅導(dǎo)線，此時(shí)儀表指示為37.702mV，再求被測(cè)點(diǎn)溫度t =

41、? （3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被測(cè)液體不是金屬，還能用此方法測(cè)量嗎？為什么？答：（1）當(dāng)A、B為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線時(shí)。熱電偶的冷端溫度為 t2=0.0，此時(shí)儀表的指示39.314mV即為熱端溫度t相對(duì)于0.0熱電勢(shì)，即,查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t 950。（2）如果將A、B換成銅導(dǎo)線，此時(shí)熱電偶的冷端溫度即變?yōu)閠1=40，此時(shí)儀表的指示為，根據(jù)中間溫度定律即可求得測(cè)量端相對(duì)于0的熱電勢(shì)：，查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t 950。（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律，如果被測(cè)液體不是金屬，就不

42、能用此方法來(lái)測(cè)量？因?yàn)椴粷M足熱電偶的基本定律要求。圖3-38熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差CuU3tABAAB接線盒1 t1接線盒2 t2接線盒3 t3CuOOOOOO11. 用兩只K型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差，如圖3-38所示。已知，試求兩點(diǎn)的溫差。答：根據(jù)熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差的電路可知儀表的指示為：查分度表可知12. 試分析圖3-47所示集成溫度傳感器AD590用于熱電偶參考端溫度補(bǔ)償電路的工作原理。答：由圖3-47所示，AD590與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓Uo = 2.5V。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R2使得I1 = t0x10-3mA，這樣在電阻R1上便產(chǎn)生一個(gè)隨參考端

43、溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1 =I1 * R1。若熱電偶參考端溫度為t0，工作時(shí)應(yīng)使U1EAB（t0，0）。這樣就能自動(dòng)補(bǔ)償由于冷端溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。不同分度號(hào)的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種圖 3-47 熱電偶參考端的補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便。13. 輻射式溫度傳感器的工作原理是什么？有何特點(diǎn)？答：輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測(cè)溫方法，只要將傳感器與被測(cè)對(duì)象對(duì)準(zhǔn)即可測(cè)量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：1）傳感器與被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且可進(jìn)行遙測(cè)。2）由于傳感器與

44、被測(cè)對(duì)象不在同一環(huán)境中，不會(huì)受到被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)的影響，所以可以測(cè)量腐蝕性、有毒物體、帶電體的溫度，測(cè)溫范圍廣，理論上無(wú)測(cè)溫上限限制。3）在檢測(cè)時(shí)傳感器不必和被測(cè)對(duì)象進(jìn)行熱量交換，所以測(cè)量速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測(cè)溫。4）由于是非接觸測(cè)量，測(cè)量精度不高，測(cè)溫誤差大。第4章 位移、物位傳感器1. 莫爾條紋的含義是什么？其主要特性有哪些？試畫(huà)圖分析。答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。圖4-9 莫爾條紋莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成

45、，圖4-10中d-d線區(qū)所示。f-f 線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。 莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性：（1）位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。（2）放大作用：莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿著與刻線垂直的方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即圖4-10 莫爾條紋 例如：每毫米有50根線的光柵，當(dāng)兩光柵間的夾角時(shí)，莫爾條紋間距，。當(dāng)，。由此看出，兩個(gè)光柵面夾角越

46、小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大，這樣就可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成清晰看見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)來(lái)測(cè)量光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。2. 磁柵位移傳感器的工作原理是什么？答：磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路組成。其工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的信息。3. 電容式、電感式接近傳感器的工作原理是什么？被測(cè)物體是什么材料？為什么？答：電容式接近傳感器

47、的工作原理：電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的感應(yīng)電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為C=Q/V，所以隨著電荷量的增多，使檢測(cè)電極電容C隨之增大，由于振蕩電路的振蕩頻率與電容成反比，所以當(dāng)電容C增大時(shí)振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)后向外輸出。電感式接近傳感器的

48、工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測(cè)用敏感元件為檢測(cè)線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。當(dāng)檢測(cè)線圈通以交流電時(shí)，在檢測(cè)線圈的周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生電渦流而吸收磁場(chǎng)能量，使檢測(cè)線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出。電容、電感式接近傳感器被測(cè)物體都是金屬導(dǎo)體材料，因?yàn)殡娙菔浇咏鼈鞲衅魇且粋€(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)關(guān)，只有金屬導(dǎo)體材料才能產(chǎn)生電荷。電感式接近傳感器工作原理是電渦流效應(yīng)，只有在金屬導(dǎo)體內(nèi)

49、才能產(chǎn)生電渦流。4. 試分析圖4-22所示壓力傳感器是如何測(cè)量液位高度的？圖4-22 開(kāi)放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖答：圖4-22為壓差式液位傳感器，其工作原理是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過(guò)壓力的測(cè)定便可知液面的高度。5. 電容式物位傳感器是如何測(cè)量物體位置的？答：電容式物位傳感器是利用被測(cè)物不同，其介電常數(shù)不同，電容量也不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的。6. 試分析電磁流量計(jì)的工作原理，并推導(dǎo)流量的表達(dá)式。答：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，其方向由右手定則確定

50、，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則 .與此相仿，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極，如圖4-33所示。圖4-33    電磁流量計(jì)原理簡(jiǎn)圖可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)： 。式中，  為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為：  由上式可見(jiàn)，體積流量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)

51、系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無(wú)關(guān)這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理。第5章 光電傳感器1. 光電效應(yīng)有哪幾種？分別對(duì)應(yīng)什么光電元件？答：光電效應(yīng)大致可以分為三類(lèi)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。對(duì)應(yīng)的光電元件：用外光電效應(yīng)制成的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等；內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元器件是光電池。2. 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管的性能差異，并簡(jiǎn)述在不同場(chǎng)合下應(yīng)選用哪種元件最為合適。答：（1）光譜特性： 圖5-11 光敏二極管的光譜特性圖5-6 光敏電阻的光譜特性曲線圖5-

52、15 光電池的光譜特性（2）響應(yīng)時(shí)間：光敏電阻中的光電流的變化滯后于光的變化的時(shí)間，即光敏電阻突然感受光照時(shí)，光電流并不是立刻上升到其穩(wěn)定數(shù)值，且當(dāng)光突然消失時(shí)光電流也不會(huì)立刻下降到零，這說(shuō)明光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。盡管不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，但都存在著這種時(shí)延特性，因此，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約為s左右，光敏晶體管的響應(yīng)速度則比相應(yīng)的二極管大約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，而鍺管的響應(yīng)時(shí)間要比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率（明暗交替頻率）較高時(shí)，應(yīng)選用硅光敏二極管。由于光敏晶體管基區(qū)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，所以在強(qiáng)光照和無(wú)

53、光照時(shí)，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時(shí)間，所以它對(duì)入射調(diào)制光脈沖的響應(yīng)時(shí)間更慢，最高工作頻率更低。光電池：由于光電池受照射產(chǎn)生電子一空穴對(duì)需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越好，硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)十千赫茲至數(shù)兆赫茲，硒光電池的頻率特性較差，目前已較少使用。（3）溫度特性：光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，它的暗電阻與靈敏度都下降的特性。光敏二極管和光敏晶體管：溫度變化對(duì)亮電流影響不大，但對(duì)暗電流影響非常大，并且是非線性的。在微光測(cè)量中有較大誤差。硅管的暗電流比鍺管

54、小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在微光測(cè)量中應(yīng)采用硅管。另外由于硅光敏晶體管的溫漂大，所以盡管光敏三級(jí)管靈敏度較高，但是在高精度測(cè)量中應(yīng)選擇硅光敏二極管?？刹捎玫蜏仄?、高精度的運(yùn)算放大器來(lái)提高精度。光電池：溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓UO和短路電流Isc隨溫度變化的特性。從圖5-17中可以看出，開(kāi)路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，電壓溫度系數(shù)約為2/。而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，溫度系數(shù)較小。當(dāng)光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行補(bǔ)償。3. 光電傳感器有哪些部分組成？被測(cè)量可以影響光電傳感器的哪些部分？ 答：光電式傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量

55、轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。被測(cè)量主要影響光電傳感器的敏感原件。4. 簡(jiǎn)述光電倍增管的工作原理。答：光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽(yáng)極以及位于其間的若干個(gè)倍增電極構(gòu)成。工作時(shí)在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)光或輻射照射陰極時(shí)，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下加速逐級(jí)轟擊發(fā)射倍增電極，在末級(jí)倍增電極形成數(shù)量為光電子的倍的次級(jí)電子。眾多的次級(jí)電子最后為陽(yáng)極收集，在陽(yáng)極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。通常光電倍增管的靈敏度比光電管要高出幾萬(wàn)倍，在微光下就可產(chǎn)生較大的電流。5. 試述圖5-50所示光敏電阻式光控開(kāi)關(guān)的工作原理。 答：白天有光照時(shí)，光敏電阻阻值很小，晶體管、不導(dǎo)通，繼電器斷開(kāi)；夜晚無(wú)光照時(shí)，光敏電阻

56、呈現(xiàn)高阻，晶體管、導(dǎo)通，繼電器吸合，從而實(shí)現(xiàn)光控開(kāi)關(guān)的作用。 圖5-50 光敏電阻式光控開(kāi)關(guān)6. 試分析圖5-51所示光控自動(dòng)照明燈電路的工作原理。 圖5-51 光控自動(dòng)照明燈解答：圖中VT1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天自然光線較強(qiáng)，光敏電阻器RG呈現(xiàn)低阻，它與RP的分壓低于30V（A點(diǎn)），觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無(wú)觸發(fā)電流，VT2呈斷開(kāi)狀態(tài)，燈EL不亮。夜幕來(lái)臨時(shí)，照射在RG上的自然光線較弱，RG呈現(xiàn)高電阻，A點(diǎn)電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅導(dǎo)通，燈EL點(diǎn)亮。R1、C1為保護(hù)雙向可控硅的吸收電路。7. 試分析光電掃描筆是如何工作的？答：掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到